RU2400667C1

RU2400667C1 - Illumination system

Info

Publication number: RU2400667C1
Application number: RU2009124892/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Павлович Петрович (BY); Игорь Павлович Петрович; Анатолий Михайлович Тареев (BY); Анатолий Михайлович Тареев; Людмила Васильевна Анохина (BY); Людмила Васильевна Анохина; Павел Ильич Мышалов (BY); Павел Ильич Мышалов; Владимир Иванович Покрышкин (BY); Владимир Иванович Покрышкин; Михаил Петрович Синаторов (BY); Михаил Петрович Синаторов
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Пеленг"
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-09-27

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: proposed illumination system comprises laser, laser beam splitter and focusing element, all connected optically. Laser beam splitter represents the first plane-parallel glass plate arranged at an angle to laser beam axis. Light-splitting coat is applied on output face of said plate to split incident laser beam into, at least, two beams, while mirror coat is applied onto input face at points whereto beams reflected from light-splitting coat fall. Light-splitting coat is applied in zones of incidence of initial beams and those reflected from mirror coat apart from the last beam coming out of the plate. Note here that inclination angle of the first plane-parallel glass plate is selected to allow spatial separation of outcoming beams, while plate thickness is selected to make optical path difference between whatever outcoming beams exceeding the length of laser radiation coherence.

EFFECT: increased uniformity of illumination over beam section due to diffraction and interference phenomena on optical irregularities and reduced sizes of illumination system.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к лазерным осветительным устройствам, которые применяются в различных оптоэлектронных системах, например в аппаратуре для формирования лазерного поля управления подвижными объектами по лазерному лучу.The invention relates to optical instrumentation, in particular to laser lighting devices that are used in various optoelectronic systems, for example, apparatus for forming a laser field for controlling moving objects by a laser beam.

Для обеспечения надежного управления объектом важно обеспечить как можно более высокую равномерность освещения по сечению пучка.To ensure reliable control of the object, it is important to ensure the highest possible uniformity of illumination over the beam cross section.

Возникновение неравномерности освещения по сечению пучка обуславливается тем, что когерентное лазерное излучение, распространяясь по оптическим элементам устройства, претерпевает дифракцию на неоднородностях и дефектах реальной оптики (свили, мелкие пузыри, царапины и т.д.), и, интерферируя с прямо прошедшим излучением, образует паразитную интерференционную картинку, снижающую равномерность освещения.The occurrence of uneven illumination over the beam cross section is caused by the fact that coherent laser radiation propagating through the optical elements of the device undergoes diffraction by inhomogeneities and defects in real optics (swirls, small bubbles, scratches, etc.), and, interfering with directly transmitted radiation, forms a spurious interference picture, which reduces the uniformity of lighting.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [1] для гомогенизации распределения пространственной интенсивности пучка когерентного излучения, содержащее оптически связанные лазерный излучатель, дифракционную решетку, расположенную на пути распространения этого пучка, а также средства для расщепления пучка и фокусирующий компонент, в результате чего снижается длина когерентности дифрагированного излучения, что приводит к повышению равномерности освещения по сечению пучка, т.е. его гомогенизации.The closest in technical essence to the claimed is a device [1] for homogenizing the spatial intensity distribution of a coherent radiation beam, containing an optically coupled laser emitter, a diffraction grating located on the propagation path of this beam, as well as means for splitting the beam and focusing component, as a result of which the coherence length of the diffracted radiation decreases, which leads to an increase in the uniformity of illumination over the beam cross section, i.e. its homogenization.

Однако в данном устройстве расщепление пучка производится лишь в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения исходного пучка, относительно его ширины, что не в полной мере обеспечивает повышение равномерности освещения.However, in this device, the beam is split only in one direction, perpendicular to the direction of propagation of the original beam, relative to its width, which does not fully provide an increase in the uniformity of illumination.

Кроме того, для того чтобы обеспечить сбор всех необходимых для работы устройства пучков, выходящих из дифракционной решетки, требуется применить фокусирующий компонент с большой апертурой, что приводит к увеличению габаритов осветительной системы.In addition, in order to ensure the collection of all the beams necessary for the operation of the device emerging from the diffraction grating, it is required to use a focusing component with a large aperture, which leads to an increase in the dimensions of the lighting system.

Задачей изобретения является повышение равномерности освещения по сечению пучка путем устранения дифракционных и интерференционных явлений на оптических неоднородностях, а также уменьшение габаритов осветительной системы.The objective of the invention is to increase the uniformity of illumination over the beam cross section by eliminating diffraction and interference phenomena on optical inhomogeneities, as well as reducing the dimensions of the lighting system.

Поставленная задача достигается тем, что в осветительной системе, содержащей оптически связанные лазер, устройство для расщепления лазерного луча, фокусирующий компонент, в отличие от прототипа, устройство для расщепления лазерного луча выполнено в виде установленной под углом к оси лазерного излучения первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани которой нанесено светоделительное покрытие для разделения падающего луча на не менее чем два луча, а на входной грани нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходного и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последнего выходящего из пластинки луча, при этом угол наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки выполнен таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей, а ее толщина выбрана такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения лазера.The problem is achieved in that in a lighting system containing an optically coupled laser, a device for splitting a laser beam, a focusing component, in contrast to the prototype, a device for splitting a laser beam is made in the form of a first plane-parallel glass plate mounted at an angle to the axis of the laser radiation, the output face of which is applied with a beam splitting coating for dividing the incident beam into at least two rays, and the input face is coated with a mirror coating in the areas of incidence reflected rays from the beam splitting coating, and the beam splitting coating is applied in the incidence zones of the original and reflected from the mirror coating rays, with the exception of the last beam emerging from the plate, while the angle of inclination of the first plane-parallel glass plate is such that the spatial separation of the rays emerging from it is provided, and its thickness is chosen so that the optical path difference between any rays emerging from it exceeds the coherence length of the laser radiation.

Также устройство для расщепления лазерного луча может быть дополнено второй плоскопараллельной стеклянной пластинкой, установленной по ходу выходящих из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки лучей под углом к их осям, причем угол лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости угла наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани второй плоскопараллельной стеклянной пластинки нанесено светоделительное покрытие для разделения каждого из падающих лучей на не менее чем два луча, а на входной грани нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходных и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последних выходящих из пластинки лучей, при этом угол наклона второй плоскопараллельной стеклянной пластинки выполнен таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей, а толщина второй плоскопараллельной стеклянной пластинки выбрана такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения лазера.Also, the device for splitting the laser beam can be supplemented with a second plane-parallel glass plate installed along the rays emerging from the first plane-parallel glass plate at an angle to their axes, the angle lying in a plane perpendicular to the plane of the angle of inclination of the first plane-parallel glass plate, on the output face of the second plane-parallel a glass plate is coated with a beam splitter to separate each of the incident rays into at least two rays, and on the input face hay is a mirror coating in the areas of incidence of the rays reflected from the beam splitting coating, and a beam splitting coating is applied in the areas of incidence of the rays starting and reflected from the mirror coating, with the exception of the last rays emerging from the plate, while the angle of inclination of the second plane-parallel glass plate is made so as to ensure the spatial separation of the rays emerging from it, and the thickness of the second plane-parallel glass plate is selected so that the optical path difference between any the rays emanating from it exceeded the laser radiation coherence length.

Выполнение устройства для расщепления лазерного луча в виде установленной под углом к оси лазерного излучения первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на выходной грани которой нанесено светоделительное покрытие для разделения падающего луча на не менее чем два пучка, на входной грани которой нанесено зеркальное покрытие в зонах падения на нее отраженных от светоделительного покрытия лучей, причем светоделительное покрытие нанесено в зонах падения исходного и отраженных от зеркального покрытия лучей, за исключением последнего выходящего из пластинки луча, обеспечивает расщепление исходного пучка на несколько лучей с различными длинами оптических путей в них, что приводит к снижению уровня интерференционных шумов за счет некогерентного сложения интенсивностей излучения пучков в плоскости освещаемой поверхности, и улучшает равномерность освещения.A device for splitting a laser beam in the form of a first plane-parallel glass plate mounted at an angle to the axis of laser radiation, on the output face of which a beam splitting coating is applied to divide the incident beam into at least two beams, on the input face of which a mirror coating is applied in the areas of incidence on it rays reflected from the beam splitting coating, wherein the beam splitting coating is applied in the incidence zones of the source and the rays reflected from the mirror coating, with the exception of the latter of the beam emerging from the plate, provides a splitting of the original beam into multiple beams with different lengths of the optical paths therein, which reduces the level of interference noise due to incoherent addition of radiation intensities of the beams in the plane of the illuminated surface, and improves the uniformity of illumination.

Количество пучков, на которые разделяется лазерное излучение, согласно предлагаемому изобретению должно быть не менее двух. С увеличением их количества растет степень улучшения равномерности освещения. Если охарактеризовать степень улучшения равномерности значением контраста подсветки К_П, то его величинаThe number of beams into which the laser radiation is divided, according to the invention should be at least two. With an increase in their number, the degree of improvement in the uniformity of lighting increases. If we characterize the degree of improvement of uniformity by the value of the backlight contrast K _P , then its value

(Imax, Imin - значения максимальной и минимальной плотности мощности освещения) будет зависеть от количества пучков N следующим образом:(Imax, Imin are the values of the maximum and minimum density of illumination power) will depend on the number of beams N as follows:

где: Iκ max и Iκ min - максимальное и минимальное значения плотности мощности κ-го пучка, в котором имеют место интерференционные шумы;where: Iκ max and Iκ min are the maximum and minimum values of the power density of the κ-beam, in which interference noise occurs;

Ii - плотность мощности других пучков, в которых полагается, что интерференционных шумов не имеется.Ii is the power density of other beams in which it is assumed that there is no interference noise.

Формула 2 выведена в предположении, что все разделенные пучки имеют равную интенсивность.Formula 2 is derived under the assumption that all separated beams have equal intensity.

Как следует из формулы (2), при увеличении количества пучков N контраст подсветки уменьшается, что приводит к улучшению равномерности освещения по сечению пучка в плоскости освещаемой поверхности.As follows from formula (2), with an increase in the number of beams N, the contrast of the backlight decreases, which leads to an improvement in the uniformity of illumination over the beam cross section in the plane of the illuminated surface.

Добавление второй плоскопараллельной стеклянной пластинки, установленной по ходу выходящих из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки лучей под углом к их осям, причем угол лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости угла наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки, с покрытиями, аналогичными покрытиям первой пластинки, дает увеличение количества расщепленных пучков N, а также обеспечивает расщепление пучков в плоскости, перпендикулярной плоскости расщепления пучков первой пластинки, что вместе с увеличением N улучшает равномерность освещения.The addition of a second plane-parallel glass plate installed along the rays emanating from the first plane-parallel glass plate at an angle to their axes, the angle lying in a plane perpendicular to the plane of inclination of the first plane-parallel glass plate, with coatings similar to those of the first plate, gives an increase in the number of split beams N, and also provides splitting of the beams in a plane perpendicular to the plane of splitting of the beams of the first plate, which together with an increase in N better uniformity of lighting.

Осветительная система имеет малые габариты вследствие того, что на выходе устройства для расщепления лазерного луча формируются параллельные пучки, для которых применяется фокусирующий компонент с небольшой апертурой.The lighting system has small dimensions due to the fact that parallel beams are formed at the output of the laser beam splitting device, for which a focusing component with a small aperture is used.

На фиг.1 приведена схема заявляемой осветительной системы, включающей первую плоскопараллельную стеклянную пластинку. На фиг.2 приведена схема осветительной системы, включающей две плоскопараллельные стеклянные пластинки. На фиг.3 изображена схема нанесения покрытий на первую и вторую пластинки, выполненные аналогично.Figure 1 shows a diagram of the inventive lighting system, including the first plane-parallel glass plate. Figure 2 shows a diagram of a lighting system comprising two plane-parallel glass plates. Figure 3 shows a diagram of the coating on the first and second plates, made in the same way.

Осветительное устройство (см. фиг.1) состоит из оптически связанных лазера 1, устройства для расщепления лазерного луча 2, выполненного виде первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3, и фокусирующего компонента 4, фокальная плоскость которого совпадает с освещаемой поверхностью.The lighting device (see Fig. 1) consists of optically coupled laser 1, a device for splitting the laser beam 2, made in the form of the first plane-parallel glass plate 3, and a focusing component 4, the focal plane of which coincides with the illuminated surface.

Первая плоскопараллельная стеклянная пластинка 3 (см. фиг.1) установлена под углом φ₁ к оси А лазерного излучения. Буквы В и С обозначают лучи, выходящие из первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3. Угол наклона φ₁ первой плоскопараллельной стеклянной пластинки выбирается таким, чтобы обеспечивалось пространственное разделение выходящих из нее лучей. Его значение зависит от поперечного сечения лазерного луча и показателя преломления пластинки и рассчитывается по формулам геометрической оптики. Толщина плоскопараллельной стеклянной пластинки выбирается такой, чтобы оптическая разность хода между любыми выходящими из нее лучами превышала длину когерентности излучения, которая, в свою очередь, определяется шириной спектра излучения использованного лазера.The first plane-parallel glass plate 3 (see figure 1) is installed at an angle φ ₁ to the axis A of the laser radiation. The letters B and C denote the rays emanating from the first plane-parallel glass plate 3. The inclination angle φ _{1 of the} first plane-parallel glass plate is selected so that the spatial separation of the rays emerging from it is ensured. Its value depends on the cross section of the laser beam and the refractive index of the plate and is calculated by the formulas of geometric optics. The thickness of the plane-parallel glass plate is chosen so that the optical path difference between any rays emanating from it exceeds the radiation coherence length, which, in turn, is determined by the width of the radiation spectrum of the laser used.

На входной грани плоскопараллельной стеклянной пластинки 3 (см. фиг.3) нанесено зеркальное покрытие 6 в зоне падения на нее отраженных от светоделительного покрытия 7 лучей. Светоделительное покрытие 7 нанесено на выходной грани плоскопараллельной стеклянной пластинки 3, причем оно нанесено в зоне выхода последнего выходящего из пластинки луча С. Количество лучей, на которые расщепляется лазерный луч, должно быть не менее двух (см. фиг.1-3). Параметры светоделительного покрытия 7 определяются исходя из требуемого количества расщепленных лучей и длины волны лазерного излучения.On the input side of a plane-parallel glass plate 3 (see Fig. 3), a mirror coating 6 is applied in the zone of incidence of 7 rays reflected from the beam splitting coating. A beam splitting coating 7 is applied to the exit face of a plane-parallel glass plate 3, and it is applied in the exit zone of the last beam C coming out of the plate. The number of rays into which the laser beam is split must be at least two (see Figs. 1-3). The parameters of the beam splitting coating 7 are determined based on the required number of split beams and the wavelength of the laser radiation.

Устройство для расщепления лазерного луча 2 может быть дополнено второй плоскопараллельной стеклянной пластинкой 5 (см. фиг.2), причем вторая пластинка 5 установлена между первой пластинкой 3 и фокусирующим компонентом 4.The device for splitting the laser beam 2 can be supplemented with a second plane-parallel glass plate 5 (see figure 2), and the second plate 5 is installed between the first plate 3 and the focusing component 4.

Вторая плоскопараллельная стеклянная пластинка 5 наклонена на угол φ₂ (см. фиг.2), лежащий в плоскости, повернутой на 90° вокруг оси А относительно плоскости наклона первой плоскопараллельной стеклянной пластинки 3. Значение угла φ₂ выбирается аналогично значению угла φ₁. Схема нанесения покрытий на пластинке 5 аналогична схеме фиг.3. Входными лучами для нее являются В и С, а выходными D, Е, F, G.The second plane-parallel glass plate 5 is inclined at an angle φ ₂ (see FIG. 2) lying in a plane rotated 90 ° about axis A relative to the plane of inclination of the first plane-parallel glass plate 3. The value of the angle φ ₂ is chosen similarly to the value of the angle φ ₁ . The coating scheme on the plate 5 is similar to the scheme of figure 3. The input rays for it are B and C, and the output D, E, F, G.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение поступает на первую плоскопараллельную стеклянную пластинку 3 устройства для расщепления лазерного излучения 2 (фиг.1) и, пройдя ее, разделяется на 2 параллельных пучка В, С (фиг.1) примерно равной интенсивности, которые собираются фокусирующим компонентом 4 в плоскости освещаемой поверхности. Вследствие того, что оптическая разность хода между выходящими из пластинки лучами В и С превышает длину когерентности излучения, в данной плоскости происходит некогерентное сложение их интенсивностей, интерференционные шумы, возникающие по пути распространения лучей А, В и С, будут снижаться, и возрастет равномерность освещения.The device operates as follows. The laser radiation enters the first plane-parallel glass plate 3 of the device for splitting laser radiation 2 (Fig. 1) and, passing it, is divided into 2 parallel beams B, C (Fig. 1) of approximately equal intensity, which are collected by the focusing component 4 in the plane of the illuminated surface. Due to the fact that the optical path difference between the rays B and C leaving the plate exceeds the radiation coherence length, incoherent addition of their intensities occurs in this plane, interference noises arising along the propagation path of rays A, B and C will decrease and the uniformity of illumination will increase .

Добавление второй плоскопараллельной пластинки 5 (см. фиг.2) увеличивает в 2 раза количество лучей, которые фокусируются в плоскости освещаемой поверхности, что приводит к еще большему возрастанию равномерности освещения.Adding a second plane-parallel plate 5 (see figure 2) increases by 2 times the number of rays that are focused in the plane of the illuminated surface, which leads to an even greater increase in the uniformity of illumination.

Заявляемая осветительная система была изготовлена и испытана. В качестве лазера был использован иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия, имеющий следующие параметры:The inventive lighting system was manufactured and tested. As a laser, a continuous ytterbium fiber laser was used having the following parameters:

длина волны излучения - 1064 нм;radiation wavelength - 1064 nm;

расходимость излучения по уровню 0,5 мощности - 2';radiation divergence at the level of 0.5 power - 2 ';

длина когерентности излучения - 5 мм;radiation coherence length - 5 mm;

мощность излучения - 10 Вт.radiation power - 10 watts.

В системе были установлены плоскопараллельные пластинки из стекла К-108Л с диэлектрическими покрытиями, выполненными по схеме фиг.3 с толщинами 3 мм и 6 мм для первой и второй пластинок и углами наклона φ₁=10° и φ₂=15° соответственно.In the system, plane-parallel plates of K-108L glass were installed with dielectric coatings made according to the scheme of Fig. 3 with thicknesses of 3 mm and 6 mm for the first and second plates and tilt angles φ ₁ = 10 ° and φ ₂ = 15 °, respectively.

Выбранная система покрытий и углы наклона пластинок обеспечивали на выходе из второй пластинки формирование четырех параллельных пучков примерно равной интенсивности, а толщины пластинок создавали разности хода между любыми из пучков, превышающие длину когерентности излучения лазера.The selected coating system and the tilt angles of the plates provided at the exit from the second plate the formation of four parallel beams of approximately equal intensity, and the thickness of the plates created path differences between any of the beams exceeding the coherence length of the laser radiation.

В фокальной плоскости фокусирующего компонента, в качестве которого использовалась линза с фокусным расстоянием 50 мм, формировалось гауссовое распределение плотности мощности излучения по сечению пучка.In the focal plane of the focusing component, which was used as a lens with a focal length of 50 mm, a Gaussian distribution of the radiation power density over the beam cross section was formed.

В экспериментальном исследовании изготовленной осветительной системы, согласно изобретению, было установлено практически полное подавление интерференционных шумов в фокальной плоскости освещаемого объекта.In an experimental study of the manufactured lighting system, according to the invention, it was found almost complete suppression of interference noise in the focal plane of the illuminated object.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает улучшение качества пучка подсветки за счет повышения равномерности распределения плотности мощности излучения, что позволит обеспечить более надежное управление подвижных объектов по лазерному лучу.Thus, the claimed device provides an improvement in the quality of the backlight beam by increasing the uniformity of the distribution of the radiation power density, which will allow for more reliable control of moving objects along the laser beam.

Источники информацииInformation sources

1. Патент WO 3023833 А1, опубл. 20.03.2003. Способы гомогенизации пространственно когерентного пучка излучения, формирования рисунка на поверхности образца и его проверки - прототип.1. Patent WO 3023833 A1, publ. 03/20/2003. Methods for homogenizing a spatially coherent radiation beam, forming a pattern on a sample surface and testing it are a prototype.

Claims

1. A lighting system containing an optically coupled laser, a device for splitting a laser beam, a focusing component, characterized in that the device for splitting a laser beam is made in the form of a first plane-parallel glass plate mounted at an angle to the axis of the laser radiation, on the output face of which a beam splitting coating is applied for dividing the incident beam into at least two beams, and a mirror coating is applied to the entrance face in the areas of incidence reflected therefrom from the beam splitting coating rays, moreover, a beam splitting coating is applied in the areas of incidence of the initial and reflected from the mirror coating rays, with the exception of the last beam emerging from the plate, while the angle of inclination of the first plane-parallel glass plate is such that spatial separation of the rays emerging from it is provided, and its thickness is chosen such so that the optical path difference between any rays emerging from it exceeds the coherence length of the laser radiation.

2. The lighting system according to claim 1, characterized in that the device for splitting the laser beam is supplemented by a second plane-parallel glass plate installed along the rays emerging from the first plane-parallel glass plate at an angle to their axes, the angle lying in a plane perpendicular to the plane of the angle of inclination a first plane-parallel glass plate, on the output side of the second plane-parallel glass plate, a beam splitting coating is applied to divide each of the incident rays into at least than two beams, and on the entrance face a mirror coating is applied in the areas of incidence on it of the rays reflected from the beam splitting coating, and a beam splitting coating is applied in the areas of incidence of the initial and reflection rays from the mirror coating, with the exception of the last rays emerging from the plate, while the angle of inclination of the second plane-parallel glass plate is made so that the spatial separation of the rays emanating from it is ensured, and the thickness of the second plane-parallel glass plate is selected so that nical path difference between any of the rays emerging from it greater than the coherence length of the laser radiation.